מחקר ישראלי מצביע לראשונה על מגבלה פיזיקלית בסיסית המשפיעה על ביצועיהם של לייזרי קוונטום הפולטים קרינה בתחום הטרה-הרץ (THz). החוקרים גילו שלא תמיד יותר אלקטרונים פירושם יותר אור. תחום הטרה-הרץ נמצא כיום בחזית המחקר העולמית בזכות הפוטנציאל שלו לפיתוח טכנולוגיות עתידיות בתחומי התקשורת, הרפואה, הביטחון והתעשייה. על כן, התובנה אליה הגיעו החוקרים עשויה לשנות את הדרך שבה מתכננים לייזרי טרה-הרץ והתקנים פוטוניים עתידיים.
גלריה
המחשה אמנותית של התגלית המרכזית במחקר. שני המבנים (הכחול והאדום) מייצגים מצבים קוונטיים בלייזר, אשר מתרחבים ומתקרבים זה לזה כתוצאה מאינטראקציות בין האלקטרונים. באזור שבו הם מתחילים לחפוף נוצר האזור הזוהר במרכז, המסמל את החפיפה הספקטרלית שהתגלתה במחקר – התופעה שמגבילה את ההגבר האופטי של הלייזר. אלומת האור היוצאת מהמרכז מסמלת את פליטת הלייזר, בעוד שהרקע הכהה והחלקיקים הזוהרים מדגישים את אופייה הקוונטי של התופעה ואת הקשר בין הפיזיקה הבסיסית ליישומים פוטוניים עתידיים
(איור: ד"ר אסף אלבו)
המחקר, שממצאיו פורסמו בכתב העת Nanophotonics, בוצע בקבוצת המחקר של ד"ר אסף אלבו, מהמחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה באוניברסיטת אריאל, במסגרת שיתוף פעולה בינלאומי. לצד חוקרי אוניברסיטת אריאל, לקחו בו חלק גם חוקרים מטעם אוניברסיטת בר-אילן, אוניברסיטת לידס בבריטניה ומעבדות סנדיה הלאומיות (Sandia National Laboratories), המהוות מרכזי מחקר ופיתוח מרכזיים של ממשלת ארצות הברית, העוסקים בפיתוח טכנולוגיות מתקדמות.
לייזרי טרה-הרץ נחשבים כיום לאחת הטכנולוגיות המבטיחות בעולם הפוטוניקה. הם עשויים בעתיד לאפשר תקשורת אלחוטית מהירה במיוחד, לרבות רשתות דור 6G, לצד יישומים מתקדמים בדימות רפואי וביטחוני, גילוי חומרים מסוכנים, בקרת איכות תעשייתית וספקטרוסקופיה מדויקת. אחד האתגרים המרכזיים בפיתוח התקנים כאלה הוא הגדלת עוצמת הקרינה והיכולת להפעילם בטמפרטורות גבוהות יותר. "במשך שנים היה מקובל לחשוב שככל שמגדילים את מספר האלקטרונים בלייזר, כך ניתן להשיג הגבר אופטי גבוה יותר וביצועים טובים יותר", מסביר ד"ר אלבו. "גילינו שקיימת מגבלה פיזיקלית בסיסית: מעבר לריכוז מסוים של אלקטרונים, האינטראקציות ביניהם גורמות להתרחבות של רמות האנרגיה הקוונטיות ולחפיפה ביניהן. כתוצאה מכך, נפגעת היכולת של הלייזר להגביר אור, ולכן דווקא הוספת אלקטרונים מעבר לריכוז מסוים מחלישה את ביצועי ההתקן במקום לשפר אותם".
תרשים שממחיש את ממצאי המחקר על לייזר הקוונטום בתחום הטרה-הרץ
(איור: ד"ר אסף אלבו)
תרשים שממחיש את ממצאי המחקר על לייזר הקוונטום בתחום הטרה-הרץ
(איור: ד"ר אסף אלבו)
כדי לחשוף את המנגנון הפיזיקלי, שילבו החוקרים מדידות ניסיוניות עם סימולציות פיזיקליות מתקדמות, ובחנו סדרת התקנים שבהם שונה באופן מבוקר ריכוז האלקטרונים. כך הצליחו לבודד את השפעת האינטראקציה בין האלקטרונים ולהראות כי היא מהווה את הגורם המרכזי המגביל את ביצועי הלייזר בתנאי העבודה האופטימליים.
לראשונה הוגדר פרמטר פיזיקלי אוניברסלי (Γavg/Δ), המאפשר לחזות את הגבול שבו הגדלת ריכוז האלקטרונים מפסיקה לשפר את ביצועי הלייזר. "פרמטר זה מאפשר לזהות מראש את הנקודה שבה תוספת אלקטרונים מפסיקה לשפר את ביצועי הלייזר ואף מתחילה לפגוע בהם. מעבר לחשיבותו עבור לייזרי טרה-הרץ, מדובר בכלל תכנון אוניברסלי שעשוי לשמש גם בפיתוח מגוון רחב של התקנים פוטוניים המבוססים על מבנים קוונטיים", אומר ד"ר אלבו.
ד"ר אסף אלבוצילום: אלבום פרטיאף שמדובר במחקר בסיסי בפיזיקה של התקנים קוונטיים, לתובנות העולות ממנו עשויה להיות השפעה רחבה על הדור הבא של רכיבים פוטוניים. היכולת להבין מראש את הגבולות הפיזיקליים של ההתקן ולתכנן אותו בהתאם צפויה לסייע בפיתוח לייזרי טרה-הרץ עם ביצועים משופרים. הביצועים הללו יאפשרו בעתיד מערכות תקשורת מהירות במיוחד, אמצעי דימות מתקדמים, מערכות אבטחה, חיישנים רגישים וטכנולוגיות חדשות לבקרת איכות בתעשייה.
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF), משרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה, וכן על ידי מענקי מחקר אירופיים ובריטיים.
